Pr摻雜LaGaO3基電解質(zhì)電性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)因?yàn)槠涓咝省⑶鍧?、無漏液等優(yōu)點(diǎn)受到全世界普遍關(guān)注。作為SOFC核心部件的固體氧化物電解質(zhì)通常在高溫下工作,這樣會帶來很多負(fù)面影響,如電極反應(yīng)、壽命縮短等。為了降低電池的工作溫度,中低溫電解質(zhì)材料的研究備受重視。LaGaO3基電解質(zhì)在高溫下有較高的電導(dǎo)率,但是導(dǎo)電活化能較大。比較起來,PrGaO3基電解質(zhì)的導(dǎo)電活化能要小的多,使其在中低溫區(qū)具有高的電導(dǎo)率。綜合考慮兩個(gè)電解質(zhì)體系的優(yōu)點(diǎn),本文研究了Pr摻雜La

2、GaO3基電解質(zhì)的電性能,期望能夠?qū)ふ业揭环N在中低溫區(qū)性能優(yōu)越的電解質(zhì)材料。
　　本文利用高溫固相合成法成功地制備了La1-xPrxGa1-yMgyO3電解質(zhì)樣品,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、交流和直流電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和離子遷移數(shù)的測試。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)La和Pr的比例為1:1時(shí),因?yàn)镸g離子的摻入,由于電荷平衡,在材料中造成氧空位濃度的增大,使得電解質(zhì)的電導(dǎo)率有所提高,Mg摻雜量為15％(La0.5Pr0.5Ga0.85Mg0.15O3)的電解

3、質(zhì)樣品的電導(dǎo)率最高,在700℃達(dá)到1.56×10-2S×cm-1;離子遷移數(shù)在0.9以上,說明導(dǎo)電機(jī)制以離子電導(dǎo)為主。在La位摻雜離子半徑較小的Pr離子,造成晶胞體積的減小,另外由于摻入了Pr離子,可能造成晶格的扭曲,瓶頸尺寸變大,從而有利于氧離子的輸運(yùn),提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率和降低導(dǎo)電活化能,在論文中當(dāng)Mg的摻雜量為10%和15%時(shí),La0.4Pr0.6Ga0.9Mg0.1O3和La0.3Pr0.7Ga0.85Mg0.15O3樣品在700

4、℃的電導(dǎo)率分別達(dá)到2.19×10-2S×cm-1和2.44×10-2S×cm-1,600℃分別為0.92×10-2S×cm-1和0.947×10-2S×cm-1;中低溫區(qū)的導(dǎo)電活化能分別是0.618eV和0.657eV。
　　由于過渡金屬元素最外層存在單電子,Co摻雜在電解質(zhì)La0.3Pr0.7Ga0.85Mg0.15O3中引入電子電導(dǎo),但當(dāng)摻雜量小于0.03時(shí)以離子導(dǎo)電為主。La0.3Pr0.7Ga0.835Mg0.15Co0.

5、015O3樣品的電導(dǎo)率在700℃和600℃時(shí)分別為3.02×10-2S×cm-1和1.81×10-2S×cm-1;中低溫區(qū)導(dǎo)電活化能為0.306eV。
　　我們對部分電解質(zhì)樣品做了熱膨脹系數(shù)測試。La1-xPrxGa1-yMgyO3樣品基本在600℃發(fā)生熱膨脹突變,平均熱膨脹系數(shù)在10×10-6℃-1左右,與YSZ相當(dāng),但是要比LSGM(La0.8Sr0.2Ga0.9Mg0.1O3和La0.8Sr0.2Ga0.9Mg0.1O3)體

6、系小。
　　使用Ag作電極時(shí),基于電解質(zhì)La0.5Pr0.5Ga0.9Mg0.1O3的電池在850℃的短路電流密度達(dá)到254mA×cm-2,最大輸出功率密度達(dá)到46.1mW×cm-2。當(dāng)以Ni/BSCF為電極時(shí),單電池的短路電流密度在800℃達(dá)到450mA×cm-2,最大輸出功率密度達(dá)到105mW×cm-2。Co摻雜樣品制成的電池在高溫下的輸出性能不如未摻雜樣品,但在中低溫區(qū)優(yōu)于未摻雜樣品,600℃時(shí)La0.3Pr0.7Ga0.8